二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型及其建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)仿真建模技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種二次再熱機組汽輪機調(diào)速 系統(tǒng)仿真模型及其建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著節(jié)能減排的要求日益提高，為了提高機組循環(huán)熱效率，大型火電機組無疑都 采用再熱循環(huán)。機組再熱方式包括一次再熱和二次再熱，與傳統(tǒng)的一次再熱技術(shù)相比，采用 二次再熱技術(shù)可以提高機組的循環(huán)熱效率1 %~2%，并能有效地減少氮氧化物和二氧化碳 等燃燒污染廢棄物的排放，因此，二次再熱技術(shù)是電力工業(yè)的重要發(fā)展方向。
[0003] 二次再熱機組的汽輪機包括超高壓缸、高壓缸、中壓缸以及低壓缸，在結(jié)構(gòu)上比一 次再熱機組增加了一級超高壓缸以及超高壓主汽調(diào)節(jié)閥。二次再熱機組中蒸汽經(jīng)過超高壓 主汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)入超高壓缸，經(jīng)超高壓缸做功后排汽去往第一級再熱器，蒸汽再熱后經(jīng)過高 壓主汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)入高壓缸做功，然后高壓缸的排汽去往第二級再熱器再熱后進(jìn)入中壓缸繼 續(xù)做功。汽輪機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)依靠調(diào)節(jié)汽機的進(jìn)汽量來實現(xiàn)，而二次再熱機組由于增加了一 級超高壓缸，因此相比于一次再熱機組增加了一個中間再熱容積和超高壓汽室容積，以及 超高壓主汽門與調(diào)節(jié)汽門的協(xié)調(diào)控制，這對二次再熱機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的快速性和準(zhǔn)確性有很 大的影響。
[0004] 目前國內(nèi)成功并網(wǎng)運行的二次再熱機組較少，可供借鑒的經(jīng)驗較欠缺，所以通過 建立二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的模型來研究并發(fā)展二次再熱機組控制技術(shù)具有重要 意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明采用的是基于MATLAB面向過程的二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)建模方法。 綜合考慮二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)中不同環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)微分方程式以及各環(huán)節(jié)之間的 聯(lián)系，通過建立描述調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型即建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，構(gòu)建控制對 象流程，然后應(yīng)用MATLAB軟件中的SMULINK模塊進(jìn)行仿真模擬，獲得二次再熱機組汽輪機 調(diào)速仿真系統(tǒng)的運行參數(shù)，從而代替實際汽輪機調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行性能分析和自動控制研究。
[0006] 二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，包括二次再熱汽輪機和調(diào)速系統(tǒng)，二次 再熱汽輪機包括依次連接的分別對轉(zhuǎn)子做功的超高壓缸、高壓缸和中低壓缸，調(diào)速系統(tǒng)包 括依次連接的PID控制器、伺服放大器、電液轉(zhuǎn)換器和油動機，油動機與二次再熱機組汽輪 機的超高壓缸連接，還包括對轉(zhuǎn)子進(jìn)行測速的測速器及反饋裝置，測速器將轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速 反饋給PID控制器，進(jìn)而調(diào)節(jié)超高壓主汽調(diào)節(jié)閥門的進(jìn)汽量；
[0007] 所述模型的輸入變量為機組實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值信號，輸出變量為機組實 際轉(zhuǎn)速；
[0008] 所述模型采用數(shù)學(xué)環(huán)節(jié)模擬二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性；
[0009] 所述模型采用功率系數(shù)描述二次再熱機組各汽缸功率占二次再熱機組汽輪機總 功率的百分比；
[0010] 通過不同環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系以及各環(huán)節(jié)本身的特性來推導(dǎo)各環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)微分方程 式，建立描述對象動態(tài)特性的完整數(shù)學(xué)模型，即建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù);采用沖激響應(yīng)法對 傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識，采用臨界比例帶法對二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng) 仿真模型中的PID調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行分步整定，得出調(diào)節(jié)器的各項參數(shù)；
[0011] 所述機組動態(tài)特性包括電液轉(zhuǎn)換器、油動機、超高壓缸進(jìn)汽容積、高壓缸進(jìn)汽容 積、轉(zhuǎn)子、一次再熱容積、二次再熱容積、超高壓缸功率、高壓缸功率、中低壓缸功率對機組 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)造成遲滯、超調(diào)的影響；
[0012] 所述環(huán)節(jié)包括：電液轉(zhuǎn)換器環(huán)節(jié)、油動機環(huán)節(jié)、超高壓缸進(jìn)汽容積環(huán)節(jié)、高壓缸進(jìn) 汽容積環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子環(huán)節(jié)、一次再熱容積環(huán)節(jié)、二次再熱容積環(huán)節(jié)、超高壓缸功率環(huán)節(jié)、高壓缸 功率環(huán)節(jié)、中低壓缸功率環(huán)節(jié)。
[0013] 所述機組功率包括超高壓缸功率、高壓缸功率、中低壓缸功率。
[0014] 另外本發(fā)明還提供了一種二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的建模方法，
[0015] 包括以下步驟：
[0016] (1)拆分調(diào)速系統(tǒng)的組成為：測速器、PID控制器、伺服放大器、電液轉(zhuǎn)換器、油動 機、反饋裝置等;所述機組動態(tài)特性:一次再熱容積、二次再熱容積、汽室容積等對機組轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)造成遲滯、超調(diào)的影響;及二次再熱機組汽輪機功率組成:超高壓缸功率、高壓缸功率、 中低壓缸功率；
[0017] (2)確定輸入變量為實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速信號偏差，輸出變量為二次再熱 機組實際轉(zhuǎn)速，根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的輸入與輸出確定各環(huán)節(jié)之間的相互作用關(guān)系，構(gòu)建對象控 制流程；
[0018] (3)采用數(shù)學(xué)環(huán)節(jié)模擬二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性；
[0019] (4)采用功率系數(shù)描述二次再熱機組各汽缸功率占二次再熱機組汽輪機總功率的 百分比，二次再熱機組的功率組成為超高壓缸功率、高壓缸功率和中低壓缸功率，三者功率 系數(shù)相加為1;
[0020] (5)考慮調(diào)速系統(tǒng)不同環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系以及各環(huán)節(jié)本身的特性來推導(dǎo)各環(huán)節(jié)的數(shù) 學(xué)微分方程式，建立描述對象動態(tài)特性的完整數(shù)學(xué)模型，即建立各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；
[0021] (6)面向過程建立二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)模型，并應(yīng)用MATLAB軟件的 SmULINK模塊進(jìn)行仿真模擬，采用沖激響應(yīng)法對傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識；
[0022] (7)采用臨界比例帶法對二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型中的PID調(diào)節(jié)器 參數(shù)進(jìn)行分步整定，得出調(diào)節(jié)器的各項參數(shù)。
[0023]優(yōu)選的，所述步驟(3)中數(shù)學(xué)環(huán)節(jié)為比例、積分、微分、慣性、延遲形式。
[0024]優(yōu)選的，所述步驟(3)中，PID控制器采用數(shù)學(xué)環(huán)節(jié)為比例、積分、微分;再熱容積、 汽室容積采用一階慣性數(shù)學(xué)環(huán)節(jié)。
[0025] 優(yōu)選的，所述步驟(5)中，建立超高壓缸進(jìn)汽容積環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)的推導(dǎo)方法如 下：
[0026] 先建立超高壓缸進(jìn)汽容積數(shù)學(xué)模型
[0027] qi = qi(si,p) q2 = q2(S2，p)
[0028] qi-流經(jīng)閥門1的蒸汽流量;q2-流經(jīng)閥門2的蒸汽流量；
[0029] S1-閥門1的開度；S2-閥門2的開度；
[0030] P--容器內(nèi)蒸汽壓力；
[0031] 根據(jù)氣體流動的連續(xù)方程式有：
[0032] (qi_q2)dt = Vdp
[0033] 式中：P-氣體的密度;V-氣體體積；
[0034] 將方程按泰勒級數(shù)展開，略去高階項得：
[0040] 對于調(diào)節(jié)閥與噴嘴之間的容積來講，因為噴嘴組的出口面積是不變的，所以AS2 =0，即乂32 = 0;
[0041] 因此有：
[0043] 在穩(wěn)定狀態(tài)下，
，當(dāng)閥門1的位移從0變化到AS1Q(此時x sl = l)時，容 積中的壓力將從0變化到P0(xp=l)，此時κ2 = 1;
[0044] 因此有氣體容積方程為：
[0046] 所以，經(jīng)過拉式變換得：
[0048]所以，超高壓缸進(jìn)汽容積環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：
[0050]優(yōu)選的，所述步驟(6)中，辨識過程為在正常情況下對被測對象輸入一個階躍信 號，記錄響應(yīng)曲線，再對沖激響應(yīng)曲線與模型傳遞函數(shù)進(jìn)行比較，確定其傳遞函數(shù)類型，最 后通過響應(yīng)曲線辨識出其所屬傳遞函數(shù)的參數(shù)。
[0051] 優(yōu)選的，所述步驟(7)中，整定步驟為先把積分時間調(diào)至1^ = %，微分時間調(diào)至Td = 0,此時調(diào)節(jié)器只利用純比例作用，在干擾作用下整定比例度，使被調(diào)參數(shù)產(chǎn)生振蕩，調(diào)到等 幅振蕩為止，記下此時的臨界比例度3 1{值，及臨界周期Tk值，然后根據(jù)經(jīng)驗公式計算出各參 數(shù)的整定值。
[0052]本發(fā)明還提供了二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的使用方法。
[0053]通過二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，應(yīng)用MATLAB軟件的SMULINK模塊進(jìn) 行仿真模擬，采用沖激響應(yīng)法對傳遞函數(shù)中的時間常數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識;然后采用臨界比例 帶法對二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型中的PID調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行分步整定，得出調(diào) 節(jié)器的各項參數(shù)。
[0054]下面對本發(fā)明進(jìn)一步描述：
[0055] 基于MATLAB面向過程的二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)建模方法，包括以下步驟：
[0056] (8)針對二次再熱機組汽輪機調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，拆分調(diào)速系統(tǒng)的組成（如： 測速器、PID控制器、伺服放大器、電液轉(zhuǎn)換器、油動機、反饋裝置等），分析機組動態(tài)特性(如 一次再熱容積、二次再熱容積、汽室容積等對機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)造成遲滯、超調(diào)的影響），研